水壓式玉米幼胚提取裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 玲，張博洋，胡彥民，田 輝*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

玉米主要用于淀粉、酒精、飼料、醬油、制藥、玉米胚芽油等的加工，少量用于食用[1]。2015—2016年，我國(guó)玉米產(chǎn)量達(dá)到了歷史最高水平。作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)近年來的玉米產(chǎn)量都在2億t以上，而每1萬t玉米就能夠分離出約700 t的胚芽[2]。其中的玉米胚芽蛋白質(zhì)可作為蛋白質(zhì)添加劑，廣泛用于糕點(diǎn)、面包、植物蛋白質(zhì)飲料、干酪、藥用膠囊和肉制品中[3-4]。1975年GREEN和PHILLIPS用未熟玉米的幼胚培養(yǎng)出胚性愈傷組織并成功誘導(dǎo)出植株以后，以此技術(shù)為基礎(chǔ)的突變體篩選和轉(zhuǎn)基因研究日益增多[5-6]。其中，愈傷組織的誘導(dǎo)和繼代是關(guān)鍵的一步，影響其組織培養(yǎng)技術(shù)發(fā)揮作用的一個(gè)關(guān)鍵因素就是幼胚的提取。

現(xiàn)有的玉米脫胚機(jī)主要用來分離成熟的玉米胚芽，且存在破碎率高的問題，有干法提胚、濕法提胚和半濕法提胚3種方法，又可分為立式和臥式2類傳動(dòng)方式。如馮少嶺等[7]設(shè)計(jì)的TPJ650×1140新型半濕法玉米脫胚機(jī)。玉米幼胚長(zhǎng)度僅有1～2 mm且對(duì)脫胚要求較高，要求胚芽完整，現(xiàn)有的玉米脫胚裝置不適合玉米幼胚的提取。目前，提取玉米幼胚的方法是在無菌條件下，以70%乙醇表面消毒后人工用專用鑷子剝離穗中部的幼胚[8]。其缺點(diǎn)是效率低、不易操作、不能滿足批量作業(yè)的需求。針對(duì)以上情況，本研究設(shè)計(jì)了一種用水壓分離玉米幼胚的提取裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作、脫出胚芽完整等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)研究人員和相關(guān)產(chǎn)業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

所設(shè)計(jì)的玉米幼胚提取裝置工作流程如圖1所示，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。玉米依次通過加料斗、切削裝置、傳送裝置、篩選和收集裝置，完成削皮、幼胚提取等工作。首先通過加料斗加入嫩玉米，然后經(jīng)過加料斗底部的傾斜部位依次有序地落入切削機(jī)構(gòu)的三角托板，在增磨滾筒的導(dǎo)向作用下，利用三角托板的傾斜角度完成嫩玉米的自旋和前進(jìn)。其中，主動(dòng)滾筒的動(dòng)力源采用減速直連電機(jī)。之后嫩玉米由仿形刀具去除種皮，廢料落入收集箱。然后，嫩玉米沿著托板進(jìn)入脫胚機(jī)構(gòu)，由輸送帶將削去種皮后的嫩玉米在57系列行星減速步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)軸自轉(zhuǎn)的條件下進(jìn)行平穩(wěn)輸送(因同步輪與固定式同步帶嚙合，輸送軸轉(zhuǎn)動(dòng))。同時(shí)，在箱體左側(cè)的噴頭上安裝的顏色傳感器檢測(cè)到玉米，夾持機(jī)構(gòu)帶動(dòng)噴頭開始移動(dòng)，并且噴頭會(huì)與輸送帶保持同步(顏色傳感器將物體顏色同已經(jīng)標(biāo)定過的玉米顏色進(jìn)行比較來檢測(cè)顏色[9]，當(dāng)2個(gè)顏色在一定的誤差范圍內(nèi)吻合時(shí)，通過自動(dòng)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)噴頭與玉米的同步)。最后，當(dāng)玉米輸送至同步輪與同步帶終止嚙合處，傳動(dòng)軸和玉米停止自轉(zhuǎn)，隨后從箱體一側(cè)的落料口掉落。當(dāng)所有玉米脫胚工作完成后，拉出篩板即可收集玉米幼胚。

圖1 玉米脫胚流程

1.種皮收集箱; 2.支架; 3.加料斗; 4.切削機(jī)構(gòu); 5.幼胚收集箱; 6.同步噴水機(jī)構(gòu); 7.輸送機(jī)構(gòu); 8.57系列減速步進(jìn)電機(jī); 9.分級(jí)篩選機(jī)構(gòu)圖2 水壓式玉米幼胚提取裝置虛擬樣機(jī)

在玉米幼胚離體培養(yǎng)時(shí)，愈傷組織的誘導(dǎo)和繼代對(duì)玉米幼胚的要求很高，所以要盡可能保證幼胚的完整性。首先選擇水泵來完成水的循環(huán)流動(dòng)和調(diào)節(jié)所需的壓強(qiáng)。經(jīng)對(duì)比，自吸泵具有小巧、方便可靠、修理方便、效率高和壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，選取PHJ-750A型自吸泵。在泵的出水口安裝調(diào)壓閥實(shí)時(shí)調(diào)整水壓大小。在取胚部分，采用柱式噴頭利用水壓分離法脫胚，噴頭參考玉米尺寸設(shè)計(jì)為：長(zhǎng)200 mm，寬40 mm。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和仿真

控制系統(tǒng)流程圖如圖3所示。硬件電路主要由單片機(jī)、顏色傳感器、步進(jìn)電機(jī)和PC上位機(jī)組成。采用軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的控制，采用定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的間歇運(yùn)動(dòng)。控制系統(tǒng)硬件電路圖如圖4所示，驅(qū)動(dòng)器選用的型號(hào)是SH-20806E，它具有速度可調(diào)、保護(hù)電路的作用。并選用24BY和57系列型兩相四線制步進(jìn)電機(jī)[10]。

工作時(shí)該電路在單片機(jī)的控制下可以實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1)控制57系列減速步進(jìn)電機(jī)做勻速運(yùn)動(dòng)；2)24BY步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)噴頭和玉米運(yùn)動(dòng)同步；3)顏色傳感器檢測(cè)到玉米時(shí)步進(jìn)電機(jī)開始工作；4)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)到固定步數(shù)時(shí)快速反轉(zhuǎn)回到輸送裝置頂部準(zhǔn)備下一輪工作。

圖3 玉米幼胚提取裝置的控制系統(tǒng)流程

2.2 參數(shù)設(shè)定

經(jīng)過試驗(yàn)，每個(gè)玉米的平均脫胚時(shí)間約為12 s。設(shè)定57步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要7 s，同時(shí)為了能在規(guī)定的12 s內(nèi)完成脫胚工作，將由24BY步進(jìn)電機(jī)控制的噴頭與玉米的同步距離設(shè)置為A2。計(jì)算過程如下：

A1=2πr≈470 mm

(1)

(2)

v玉米=v滾筒=v滾筒軸=67.1 mm/s

(3)

(4)

(5)

(6)

圖4 玉米幼胚提取裝置的步進(jìn)電機(jī)電路圖

式中，r=75 mm為滾筒半徑，A1為滾筒周長(zhǎng)，A2為步進(jìn)電機(jī)需要同步的距離，A2=A1。ω玉米為玉米的角速度，r玉米為嫩玉米半徑，取r玉米≈20 mm，n為57步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)。

由式(1)—(5)可知，6 s轉(zhuǎn)動(dòng)了0.62圈；14 s轉(zhuǎn)了1.24圈，可得式(6)即同步距離為800 mm時(shí)，經(jīng)過12 s就可以完成一個(gè)玉米的脫胚作業(yè)。所以當(dāng)傳感器檢測(cè)到玉米時(shí)，24步進(jìn)電機(jī)開始工作并與57步進(jìn)電機(jī)保持同步持續(xù)時(shí)間為12 s，步進(jìn)距離為80 cm時(shí)完成一個(gè)玉米的脫胚任務(wù)。

用keil軟件對(duì)步進(jìn)電機(jī)編程，首先初始化單片機(jī)，設(shè)置變量以及有無玉米時(shí)步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)。然后對(duì)寄存器和功能模塊初始化，給定速度初始值，其次調(diào)用速度、方向和定時(shí)中斷子程序，最后測(cè)試程序并完善步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制。

3 脫胚試驗(yàn)與分析

3.1 影響因素及其權(quán)重的確定

3.1.1 多因素正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì) 為了滿足脫胚要求，在噴頭與玉米的垂直角度(零度)、噴孔尺寸、數(shù)目確定的情況下進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，分別確定了脫胚距離(噴頭到玉米的距離)、脫胚壓強(qiáng)(水泵出水口壓強(qiáng))和脫胚時(shí)間(水對(duì)玉米的作用時(shí)間)3個(gè)因素，由三者共同作用時(shí)測(cè)得的實(shí)際脫胚率(實(shí)際脫胚率=脫胚率-胚芽損傷率)為玉米幼胚提取機(jī)的重要指標(biāo)。針對(duì)影響實(shí)際脫胚率的多因素問題，基本的研究思路是如何制定試驗(yàn)方案以盡可能減少試驗(yàn)次數(shù)，并能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析，最終目的是分析各因素對(duì)脫胚影響的權(quán)重以及尋求較優(yōu)試驗(yàn)方案[11-12]。

綜上，采用三因素兩水平L8(23)正交設(shè)計(jì)方法[13-14]進(jìn)行玉米幼胚提取試驗(yàn)，在脫胚距離、脫胚壓強(qiáng)和脫胚時(shí)間多因素共同作用下計(jì)算實(shí)際脫胚率。試驗(yàn)暫不考慮因素間的交叉作用，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素及其水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素及水平

3.1.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析及較優(yōu)組合方式 對(duì)8種方案進(jìn)行脫胚試驗(yàn)，脫胚時(shí)間從6 s逐漸增加到12 s；脫胚壓強(qiáng)從0.25 MPa逐漸增加到0.40 MPa；脫胚距離從30 mm逐漸增加到60 mm，試驗(yàn)結(jié)果見表2，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以獲得最優(yōu)決策。本試驗(yàn)采用極差分析法分析各因素所占權(quán)重大小，進(jìn)而確定各因素的試驗(yàn)順序。實(shí)際脫胚率越大，脫胚效果越好。實(shí)際脫胚率的極差分析見表2的R，在正交試驗(yàn)極差分析中，R值越大說明該因素的權(quán)重越大，由此可見，影響實(shí)際脫胚率的主要參數(shù)為脫胚時(shí)間，其次是脫胚壓強(qiáng)，然后是脫胚距離。

表2 正交試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及分析

3.2 脫胚時(shí)間的確定

為確定最優(yōu)的脫胚時(shí)間，在脫胚壓強(qiáng)0.40 MPa、脫胚距離55 mm的條件下分別設(shè)置脫胚時(shí)間為6、8、10、12、14、16 s進(jìn)行單因素試驗(yàn)。玉米旋轉(zhuǎn)速度為0.02 m/s，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。可以看出，在6～11 s時(shí)，隨著脫胚時(shí)間的延長(zhǎng)，玉米實(shí)際脫胚率不斷提高，在12 s左右時(shí)實(shí)際脫胚率達(dá)到了最大值，約91%，胚芽的損傷率在3%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 脫胚時(shí)間對(duì)實(shí)際脫胚率的影響

3.3 脫胚壓強(qiáng)的確定

為了確定脫胚壓強(qiáng)，在脫胚時(shí)間12 s、脫胚距離60 mm的條件下設(shè)置脫胚壓強(qiáng)分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示，可見，隨著壓強(qiáng)增大，脫胚率不斷增加，但胚芽損壞率也在不斷增加。由圖6可得，脫胚壓強(qiáng)為0.30～0.40 MPa，實(shí)際脫胚率較高。

圖6 脫胚壓強(qiáng)對(duì)實(shí)際脫胚率的影響

3.4 脫胚距離的確定

在脫胚壓強(qiáng)0.40 MPa、脫胚時(shí)間12 s的條件下分別設(shè)置脫胚距離30、40、50、60、70、80、90、100 mm進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，隨著脫胚距離的增大，實(shí)際脫胚率先增大后減小，胚芽損傷率均小于5%。脫胚距離在30～50 mm時(shí)，雖然水壓較大但噴水面積較小，噴水面積對(duì)脫胚率的影響大于脫胚壓強(qiáng)的影響；當(dāng)脫胚距離為50～60 mm時(shí)，脫胚效果較好，脫胚率達(dá)到最大值；當(dāng)脫胚距離為60～80 mm時(shí)，距離相對(duì)較遠(yuǎn)，噴水面積較大但脫胚壓強(qiáng)較小，脫胚壓強(qiáng)對(duì)脫胚率的影響大于噴水面積的影響。

圖7 脫胚距離對(duì)實(shí)際脫胚率的影響

4 結(jié)論與討論

水壓式玉米幼胚提取機(jī)具有易操作、效率高和胚芽完整等優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)完成種皮切削、脫胚和篩選作業(yè)，符合玉米幼胚離體培養(yǎng)的試驗(yàn)要求。輸送機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)可以有效地在輸送玉米的同時(shí)完成玉米的自轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)玉米的動(dòng)態(tài)輸送，其次，步進(jìn)電機(jī)的間歇運(yùn)動(dòng)節(jié)水節(jié)能。經(jīng)過在原型機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，水壓式玉米幼胚提取機(jī)較適宜的脫胚距離為50～60 mm、脫胚壓強(qiáng)為0.30～0.40 MPa、脫胚時(shí)間約為12 s，此時(shí)實(shí)際脫胚效率可達(dá)90%以上。與手工提取玉米幼胚相比，該機(jī)器提高了脫胚效率并實(shí)現(xiàn)了玉米幼胚的自動(dòng)化提取。因?qū)嶒?yàn)條件及樣機(jī)工藝限制，本研究?jī)H針對(duì)3個(gè)參數(shù)在較小范圍內(nèi)進(jìn)行了正交試驗(yàn)，尚未得出最佳的脫胚參數(shù)，下一步需繼續(xù)優(yōu)化工藝后在樣機(jī)上進(jìn)行多因素試驗(yàn)，確定該裝置的最佳提胚參數(shù)。